La semana pasada fueron anunciados los ganadores de los Nobel de Medicina, Física y Química. Para esta ocasión, desde la revista Hipótesis, hablamos con investigadores e investigadoras destacados en cada área. Preparamos este artículo especialmente para aquellas personas curiosas, que desean entender mejor en qué consisten las investigaciones de los ganadores y ganadoras del premio.
Laura Forero – Revista hipÓtesis.
Nobel de Medicina: las bases para desarrollar un nuevo tipo de vacuna
Katalin Karikó, bioquímica húngara, y Drew Weissman, inmunólogo estadounidense, recibieron el Nobel de Medicina "por sus descubrimientos relacionados con las modificaciones de bases nucleosídicas que permitieron el desarrollo de vacunas de ARN mensajero", tales como algunas de las más efectivas contra el COVID-19 (“The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2023” 1).
En las células eucarióticas, el ARN mensajero se encarga de transportar la información necesaria para producir proteínas desde el ADN (en el núcleo) hasta los ribosomas que están en el citoplasma. Buena parte del trabajo de Karikó, en la década de los 90, estuvo enfocado en usar el ARN como tratamiento para curar enfermedades. Buscaba constantemente formas de usar ARN producido in vitro –es decir, ARN producido en un laboratorio sin un cultivo celular –para "optimizar la expresión de proteínas terapéuticas" en pacientes (Karlsson y Rickard 4).
Cuando era profesora asistente en la Universidad de Pensilvania, Karikó conoció a Weissman y, juntos, comenzaron a investigar aplicaciones del ARN mensajero y sus repercusiones en respuestas inmunológicas. El descubrimiento que los hizo merecedores del Nobel estableció las bases para nuevas vacunas que utilizan el ARN mensajero, en lugar de virus debilitados o componentes virales individuales (Karlsson y Rickard 1).
"El problema fundamental que tenía el ARN mensajero es que, cuando una molécula de ARN extraña entra a una célula, se activa una respuesta inmune innata que se llama 'estado antiviral', además de una serie de respuestas proinflamatorias. Ese estado daña la molécula de ARN mensajero extraña, sin dañar las propias. Así, un ARN dañado no se puede traducir y no se puede convertir en una proteína que pueda ser procesada y presentada al sistema inmune adaptativo como antígeno" –comenta Augusto Valderrama, profesor e investigador del Departamento de Ciencias Biológicas de la Universidad de los Andes, especializado en temas de inmunología, virología, genética humana y salud pública.
Karikó y Weissman lograron caracterizar las modificaciones químicas que un ARN mensajero extraño debía tener para que fuese menos reactivo en la célula, sin ser destruido y sin el efecto proinflamatorio. Además, pudieron hacer que el ARN durase más tiempo dentro de la célula, lo suficiente para que la información sea traducida por los ribosomas en el citoplasma y pueda ser usada como antígeno. Con este nuevo método, una célula cualquiera, especialmente las que llamamos dendríticas, pueden llegar a producir una proteína de origen viral y presentarla como antígeno al sistema inmune adaptativo; el que genera los anticuerpos y células protectoras cuando se le introduce un ARN mensajero especial.
"El sistema inmune identifica esa proteína de origen viral, la presenta a través del sistema de presentación de antígenos y podrá inducir una respuesta inmune adaptativa que genere memoria inmunológica" –explica Valderrama –"Ellos no desarrollaron la vacuna del COVID-19, pero sí sentaron las bases para que ese tipo de vacunas se pudieran hacer y aprobar en tiempo récord durante la pandemia".
Nobel de Física: la luz como herramienta para estudiar electrones
Este año, los ganadores del Nobel en Física fueron Anne L’Huillier, Pierre Agostini –ambos físicos franceses –y Ferenc Krausz, físico húngaro-austríaco. El reconocimiento fue otorgado por su trabajo en "métodos experimentales que generan pulsos de luz de attosegundos para el estudio de las dinámicas de electrones en la materia" ("The Nobel Prize in Physics 2023" 1). El reconocimiento a L’Huillier resulta particularmente especial, pues es la quinta mujer en ganar el Nobel de Física, premio que ha sido otorgado a 224 investigadores entre 1901 y 2023 ("All Nobel Prizes in Physics").
Un attosegundo es un intervalo de tiempo que equivale a 10–18 segundos, o 0.0000000000000000001 segundos. Para poner en contexto lo pequeña que es esta cifra podemos remitirnos a la cantidad de segundos que han pasado desde la creación del Universo: 1018 segundos o 1,000,000,000,000,000,000 segundos. ¿Por qué es relevante esta cifra para pensar en el attosegundo? Porque la cantidad de attosegundos en un segundo equivalen a la cantidad de segundos que han pasado desde que se creó el Universo, "hace 13.800 millones de años”"(Davour 1).
Las investigaciones de L’Huillier se han enfocado en "la interacción entre breves e intensos campos láser con átomos" ("Anne L’Huillier"). En sus experimentos, hacia finales de los 80, descubrió que, a veces, al apuntar una luz a los átomos de unos gases, los electrones de los átomos emitían luz. Después de profundizar en sus hallazgos, hoy se sabe que esto ocurre porque los electrones se separan, por intervalos muy cortos de tiempo, de los átomos cuando son apuntados con algunas luces y, al regresar, desprenden una cantidad de energía que se emite en forma de luz en el espectro ultravioleta.
Los avances de Agostini y de Krausz han estado más orientados hacia el estudio de trenes de pulso –secuencias consecutivas de pulsos de luz –y de pulsos de luz individuales en el orden de los attosegundos, "demostrando que los pulsos de attosegundos pueden ser observados y medidos" (Davour 5). Esto, conjugado con los estudios de L’Huillier, permite que hoy en día se puedan estudiar la dinámica de los electrones.
"Si tú tienes unos pulsos de luz que están encendidos por un período de tiempo tan pequeño [durante un intervalo de pocos attosegundos] es como si tuvieras una cámara de fotos con un obturador muy rápido. Te permite tomar fotos de escenas que van muy rápido" –explica Alejandra Valencia, profesora e investigadora del Departamento de Física de la Universidad de los Andes y miembro del Grupo de Óptica Cuántica de la misma institución –"Es como tener un obturador que dura encendido 10–18 segundos y, por eso, permite estudiar cómo es la dinámica de los electrones en la materia".
Las investigaciones de los tres ganadores del Nobel de este año están orientadas a convertir la luz en una herramienta para comprender la naturaleza. Lograr emitir luz durante un periodo de tiempo tan breve la convierte en una herramienta para estudiar electrones. A pesar de que en Colombia no se ha trabajado mucho con attosegundos, en la Universidad de los Andes el Grupo de Óptica Cuántica y otros grupos de investigación hacen uso de la luz como herramienta a nivel de fotones. Principalmente, trabajan con láseres y estabilizan sus frecuencias para aplicaciones, por ejemplo, en relojes atómicos.
Nobel de Química: el desarrollo de los puntos cuánticos
Moungi Bawendi, químico estadounidense, tunecino y francés, Louis Brus, químico estadounidense, y Alexei Ekimov, físico ruso, recibieron el Nobel de Química "por el descubrimiento y síntesis de los puntos cuánticos" ("The Nobel Prize in Chemistry 2023" 1).
Los puntos cuánticos son partículas tan pequeñas que sus propiedades son determinadas por su tamaño. Es decir, son tan pequeños que no son regidos por la mecánica clásica, sino por la mecánica cuántica.
"Un bloque grande de oro tú lo ves dorado, pero cuando lo llevas a tamaño nanoparticulado, esas partículas se ven rosadas. El color lo determina la manera en que interactúan los materiales con la luz" –explica Yenny Hernández, doctora en Física del Trinity College de Dublin, profesora de Física en la Universidad de los Andes y actual vicedecana de Investigaciones de la Facultad de Ciencias, también en los Andes, y miembro de la Sociedad para la Investigación en Materiales de los Estados Unidos.
Cuando se sintetizan puntos cuánticos es posible determinar el tamaño y la forma de cada uno, dos características que determinan su color. Este fue uno de los descubrimientos que hizo Ekimov cuando estudiaba su doctorado en la Unión Soviética, en los 70. Para ese entonces, los físicos llevaban muchos años usando vidrios para estudiar la luz y habían notado que, al fabricar vidrio con un mismo material, "su color cambiaba dependiendo de cuánto se calentaba o cómo se enfriaba". "Finalmente, pudieron demostrar que los colores provenían de partículas que se formaban en el vidrio y que el color dependía del tamaño de las partículas" (Fernholm 3). Ekimov, después de varios experimentos fabricando vidrio, pudo determinar que esas partículas estaban regidas por la mecánica cuántica y fue el primero en lograr sintetizar, deliberadamente, puntos cuánticos.
Casi que simultáneamente, en Estados Unidos, Brus estaba llegando a los mismos descubrimientos y conclusiones que Ekimov. Más adelante, en los años 90, Bawendi se dedicó a buscar formas de sintetizar puntos cuánticos de mejor calidad y, con su equipo de investigación, lograron producir nanocristales de tamaños específicos (Fernholm 4-5).
Las nanopartículas llevaban siglos siendo producidas, sobre todo por vidrieros artesanos. Un ejemplo es la Copa de Licurgo, una copa romana del siglo IV, la cual presenta propiedades asombrosas. Dependiendo desde dónde se ilumine, se puede ver rosada o verde.
Copa de Licurgo. Arriba, la copa iluminada desde atrás. Abajo, la copa iluminada de frente. Imágenes por Johnbod, Wikimedia Commons.
El premio Nobel de este año fue otorgado a Bawendi, Brus y Ekimov por entender cómo funcionan los puntos cuánticos y por descubrir y refinar métodos para sintetizarlos.
"La reacción [para sintetizar puntos cuánticos] es esta: empiezan con una sal metálica –cloruro de oro o nitrato de plata –y le ponen un nitrato de platino. Luego, usan microondas y un estabilizador coloidal" –comenta Hernández. Este método se impone sobre otras formas de obtener nanomateriales. En el laboratorio de Nanomateriales de la Universidad de los Andes, por ejemplo, se trabaja con grafeno para hacer puntos cuánticos, pero se empieza con un bloque del material y se fragmenta hasta obtener nanopartículas.
Las aplicaciones de los puntos cuánticos son amplias: desde la fabricación de nuevas tecnologías, como las pantallas OLED, hasta tratamientos médicos, como la terapia de hipertermia magnética. En esta terapia –aún experimental –, los médicos administran al paciente nanopartículas superparamagnéticas que se ubican en un tumor. Luego, se enciende un campo magnético y las partículas se magnetizan en un proceso que produce mucho calor, suficiente para tratar el cáncer.
Obras citadas
“All Nobel Prizes in Physics”. NobelPrize.org. Nobel Prize Outreach AB 2023. 11 Oct 2023. https://www.nobelprize.org/prizes/lists/all-nobel-prizes-in-physics. Consultado el 5 de octubre de 2023.
“Anne L’Huillier.” Anne L’Huillier | Division of Atomic Physics, Lund University, www.atomic.physics.lu.se/research/attosecond-physics-from-lasers-to-applications/group-members/anne-lhuillier/. Consultado el 5 de octubre de 2023.
Davour, Anna. “The Nobel Prize in Physics 2023. Popular Science Background” NobelPrize.org, Nobel Prize Outreach AB 2023, 3 Oct. 2023, www.nobelprize.org/prizes/physics/2023/popular-information/
Fernholm, Ann. “The Nobel Prize in Chemistry 2023. Popular Science Background.” NobelPrize.org, Nobel Prize Outreach AB 2023, 4 Oct. 2023, www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2023/popular-information/
Karlsson Hedestam, Gunilla, and Rickard Sandberg. “Scientific Background 2023. Discoveries Concerning Nucleoside Base Modifications That Enabled the Development of Effective mRNA Vaccines against COVID-19.” NobelPrize.Org, Nobel Prize Outreach AB 2023, 2 Oct. 2023, www.nobelprize.org/uploads/2023/10/advanced-medicinprize2023.pdf.
“The Nobel Prize in Chemistry 2023.” NobelPrize.org, Nobel Prize Outreach AB 2023, 4 Oct. 2023, https://www.nobelprize.org/uploads/2023/10/press-chemistryprize2023.pdf. Consultado el 5 de octubre de 2023.
“The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2023.” NobelPrize.org, Nobel Prize Outreach AB 2023, 2 Oct. 2023, https://www.nobelprize.org/uploads/2023/10/press-medicineprize2023-3.pdf. Consultado el 4 de octubre de 2023.
“The Nobel Prize in Physics 2023.” NobelPrize.org, Nobel Prize Outreach AB 2023, 3 Oct. 2023, https://www.nobelprize.org/uploads/2023/10/press-physicsprize2023.pdf. Consultado el 5 de octubre de 2023.
